葛洲壩電站水輪機主軸密封改造后運行分析

蘇華佳，鄭南軒，周小平（中國長江電力股份有限公司葛洲壩水力發電廠，湖北 宜昌 443002）

葛洲壩電站水輪機主軸密封改造后運行分析

蘇華佳，鄭南軒，周小平
（中國長江電力股份有限公司葛洲壩水力發電廠，湖北 宜昌 443002）

摘要：葛洲壩電站2013-2014年度歲修進行了哈電4臺、東電2臺水輪機改造增容，其中機組主軸工作密封由雙層橡膠平板密封改造為浮動式端面密封，這種型式的密封在三峽混流式機組運用非常成功，但在葛洲壩電站軸流轉槳式機組上屬首次應用。本文通過機組頂蓋排水泵的運行情況，探索改造后機組主軸密封的運行規律，為機組密封水壓調整和安全經濟運行提供依據。

關鍵詞：葛洲壩電站；水輪機；端面密封；運行分析

0　引言

水輪機主軸密封按工作性質分為檢修密封和工作密封，它們安裝在水導軸承下面，以防止轉輪室內的壓力水從主軸和頂蓋(或支持蓋)之間滲漏到頂蓋集水槽內，淹沒水導軸承，破壞水導軸承的工作，影響機組的安全運行。不同水頭不同型式的水輪機，其主軸密封的結構和型式有很大的差異，目前國內各大水電站應用最多的檢修密封是空氣圍帶式密封、工作密封是雙層橡膠平板密封和端面密封。葛洲壩電站21臺軸流轉漿式機組主軸密封采用空氣圍帶式密封和雙層橡膠平板密封，前期投運時工作密封經常出現水封橡膠板磨損嚴重甚至燒壞、漏水量大、密封水壓波動大不易調整等問題，造成水淹水導或強迫停機檢修。通過不斷探索改進，采用在金屬抗磨環上開出呈三角形的楔形槽，使水封裝置水箱內的清潔水能夠在任何工況下都能進入摩擦面，對摩擦面進行冷卻和潤滑，解決了橡膠板干摩擦損壞的問題，經過實踐運行證明，目前的雙層橡膠平板密封運行穩定、可靠，能夠保證機組的安全運行。但雙層橡膠平板密封沒有自補償功能，密封水壓受導葉開度、輪葉開度、輪葉前壓力等因素影響較大，開機過程中水封容易憋壓、壓力波動大甚至燒橡膠平板，造成橡膠平板使用壽命短、需頻繁更換等缺陷，且頂蓋空間小、主軸密封檢修更換困難。為此，隨著新技術新工藝的應用和葛洲壩電站水輪機改造增容，機組工作密封也由原來的雙層橡膠平板密封改造為浮動式端面密封，也稱為水壓式端面密封，這種型式的密封在葛洲壩電站機組上首次應用。探索改造后機組主軸密封的運行特性，可為機組密封水壓調整和安全經濟運行提供依據，同時也為今后同類型機組改造提供借鑒經驗，具有重要意義。

1　浮動式端面密封的結構和工作原理

1.1浮動式端面密封結構

浮動式端面密封的結構主要由抗磨板、浮動環、密封塊及支撐環等組成，哈電、東電機組密封如圖1、圖2所示。

圖1　哈電浮動式端面密封結構圖

15----預緊彈簧 20----抗磨板 21-----密封塊22----浮動環 23----主軸 25---空氣圍帶

圖2　東電浮動式端面密封結構圖

1.2浮動式端面密封工作原理

浮動式端面密封是自補償軸向密封，其工作原理為：密封塊把合于浮動環上，浮動環與密封塊設有進水孔，工作時依靠浮動環的自重力、浮動環與上蓋間的彈簧力以及渾水腔內的水壓力，將密封塊與抗磨塊轉環貼合，同時浮動環與密封塊中通入清潔壓力水，使密封塊與抗磨板之間產生一層有壓水膜，阻止江水進入支持蓋，從而達到良好的密封效果。清潔水膜能潤滑、冷卻密封塊與抗磨板的接觸面，防止因干摩擦燒損密封塊。由于浮動環可上、下移動，浮動環與上蓋之間設計有彈簧，可以補償密封塊磨損量，確保密封塊與抗磨板之間的間隙合格，保證密封塊在機組抬機時的正常密封。

工作時密封塊受到的軸向力存在下面的關系（如圖3所示）：

F1+F2+F3=F4。

式中：F1為預緊彈簧向下的彈力，F2為浮動環和密封塊的自重力，F3為渾水向下的水壓力，F4為清潔水向上的水壓力。

圖3　主軸密封受力圖

1-浮動環 2-抗磨板 3-水膜 4-密封塊Q1-流向渾水腔的流量Q2-流向清水腔的流量

密封塊工作時任何時候的軸向壓力都是平衡的。當渾水腔的水壓力變大，即F3增大，則密封塊失去平衡向下運動，導致密封塊與抗磨板間的水膜厚度變小，流量Q1、Q2變小，清潔水向上的水壓力F4增大，使密封塊向上運動形成新的平衡。反之亦然。

浮動式端面密封的設計標準是：①機組啟動前應先通密封用水，機組運行時不得中斷用水；②主軸密封冷卻水（水經過100μm過濾器）壓力為0.3～0.6MPa，水量為2～3L/s（7.2～10.8m3/h）；③運行時密封塊中的密封水壓力應比漏水壓力高0.03～0.05MPa；④封塊最大允許磨損量為12mm。

2　浮動式端面密封運行分析

水輪機主軸密封改造后經過一個汛期的運行，頂蓋漏水在可控范圍內，頂蓋泵啟停時間正常、規律一致，沒有出現明顯的異常，密封塊磨損量指示裝置無明顯變化，密封塊暫無明顯磨損。

2.1機組負荷對漏水量的影響

以6月23日22時～24日8時二江某哈電已改機組為例，分析機組負荷對漏水量的影響。該時段機組頂蓋水位、負荷、導葉開度和密封水壓曲線如圖4所示，頂蓋泵的具體啟停時間如下頁表1所示。

圖4　二江某哈電已改機組頂蓋水位、負荷、輪葉開度和密封水壓曲線圖

6月23日22時～24日8時下游水位變化0.3m，機組水頭變化0.6m，機組負荷變化18MW，但頂蓋泵的啟停很有規律，都是停止時間在24∶50左右，抽水時間在15∶43左右，頂蓋泵平均排水量9.69m3/h。說明機組負荷的變化，對主軸密封的漏水量基本沒有影響。（說明：頂蓋排水泵排水量按泵額定流量25m3/h計算，假設水量全部來自主軸密封漏水，下同。）

表1　6月2 3日2 2時～2 4日8時二江某哈電已改機組頂蓋泵運行分析表

2.2下游水位對漏水量和清潔水用水量的影響

按照表1的方法，以二江某哈電已改機組和大江某東電已改機組為例，對不同水頭、不同工況下頂蓋泵運行情況進行分析，得出下游水位與主軸密封漏水量和清潔水用水量的對應關系，如表2和表3所示。

表2和表3數據說明：下游水位升高，輪葉前壓力上升，主軸密封漏水量增大，清潔水用水量減少，反之亦然。

2.3密封水壓力對漏水量和清潔水用水量的影響

以二江某哈電已改機組和大江某哈電已改機組為例，1月21日17時二江某哈電已改機組密封水壓將由0.23MPa調整至0.17MPa運行，7月11日大江某哈電已改機組密封水壓由0.16MPa調整到0.22MPa運行，調整后頂蓋泵啟停間隔有所變化。按照表1的方法，對二江某哈電已改機組和大江某哈電已改機組不同密封水壓下頂蓋泵運行情況進行分析，得出密封水壓與主軸密封漏水量和清潔水用水量的對應關系，如表4所示。

表4數據說明：主軸密封水壓變化，對主軸密封的漏水量和清潔水用水量有較明顯的影響。密封水壓升高，漏水量增大，清潔水用水量也增大，反之亦然。

表2　二江某哈電已改機組頂蓋泵運行時間與下游水位關系分析表

表3　大江某東電已改機組頂蓋泵運行時間與下游水位關系分析表

2.4安裝檢修工藝對漏水量的影響

大江某哈電已改機組改造后在72 h試運行中機組帶125MW固定負荷、密封水壓0.09MPa，主軸密封漏水很大，2號頂蓋泵有規律的運行48min、停止6.5min左右。經過停機消缺后開機運行，密封水壓0.1MPa，2號頂蓋泵變為運行7min、停止22min左右，漏水量明顯減小。因此，安裝檢修工藝對主軸密封漏水影響較大。

2.5不同機組漏水量和清潔水用水量比較

按照表1的方法，對安裝主軸端面密封的6臺機組進行同時分析，結果如表5所示。

表4　二江和大江某哈電已改機組頂蓋泵啟停時間與密封水壓關系分析表

表5　相同密封裝置不同機組頂蓋泵運行時間對比分析表

考慮到不同頂蓋排水泵實際工作效率的差異，將頂蓋漏水量轉換成24 h頂蓋水位上升量進行比較。表5數據說明：相同工況下不同機組主軸密封漏水量差別較大，漏水量最大的是兩臺東電機組，三臺哈電機組漏水量差別不大，東電機組漏水量是哈電機組的1.5～2倍左右，如圖5所示。引起這種差別的主要原因可能是：①設備結構、制造、安裝質量不同；②機組運行特性不同。

圖5　2 0 1 4年7月1 5日機組頂蓋漏水對比圖

2.6端面密封和雙層平板密封漏水量和清潔水用水量比較

采用同樣的方法，對全廠機組進行同時分析，結果如表6所示。

表6　不同密封裝置不同機組頂蓋泵運行時間對比分析表

同樣，將頂蓋漏水量轉換成24 h頂蓋水位上升量進行比較，表6數據說明：相同工況下浮動式端面密封裝置的漏水量比雙層平板密封裝置大2～3倍，如圖6所示。

圖6　2 0 1 4年7月3 0日機組頂蓋漏水對比圖

3　浮動式端面密封運行狀況和影響因素

（1）浮動式端面密封漏水量較大，漏水量達到6～13m3/h左右，大江某東電已改機組最大為13m3/h左右，頂蓋泵啟停頻繁，大江某東電兩臺已改機組頂蓋泵運行和停止時間幾乎相等，頂蓋泵排水壓力和能耗大。原雙層橡膠平板密封正常漏水量1～2m3/h，最大漏水量≤4m3/h。

（2）浮動式端面密封清潔水用水量較大，用水量普遍達到10～21m3/h左右，遠大于設計的用水量7.2～10.8m3/h。原雙層橡膠平板密封用水量普遍在2～5m3/h左右，若全廠21臺機組全部改造后，一年全廠機組清潔水用水量預計增加120～180萬m3。

（3）浮動式端面密封安裝檢修定型后，運行中影響漏水量的主要因素是密封水壓和下游水位，但下游水位不受人為控制。從頂蓋泵排水量和清潔水用水量數據發現，前者基本上等于后者的一半，即將近有一半的清潔水流入了轉輪室，說明運行中密封水壓偏高了，按照設計標準，密封水壓力只需要比漏水壓力高0.03～0.05MPa即可。所以，運行中可以適當降低密封水壓力，以減少清潔水耗水量。

（4）不同機組密封的漏水量差別較大，哈電已改機組基本相同，東電已改機組是它們的1.5～2倍，嚴重時達到3倍左右。除了機組運行特性差異外，更多的可能與密封的結構、制造、安裝檢修質量有關。

4　浮動式端面密封運行中存在的問題

（1）通過開機試驗，發現空載時因轉輪室負壓，主軸密封清潔水全部被吸進轉輪室，并存在類似補氣閥吸氣的聲音，空載時主軸密封存在干摩擦風險。建議機組開停機時，全開水封供水閥門，正常運行期間壓力調至0.14～0.20 MPa，具體視水封漏水量而定。

（2）機組停機態時，為節約清潔用水，同時減輕頂蓋泵排水壓力，需將水封水壓調至適當，亦即將水封供水閥開啟一點即可；機組開機前及機組空轉或空載態時，為保證水封水膜的有效形成，需將水封水壓調至≥0.25MPa；機組并網帶負荷運行時，需根據機組輪葉前水壓及漏水量進行水封水壓調整，增加了運行人員調整水封水壓的工作量，不利于機組進行快速自動開機并網運行。

（3）目前，其加裝的備用水源（技術供水）是否能夠滿足水封用水要求，有待試驗確定。水封改造前，當出現全廠清潔水主管網供水中斷，大江2×200m3清水池（二江2×120）可供全廠機組水封應急用水1.5 h，若機組水封全部改造后，清潔水池是否還能夠作為應急水源，有待試驗。

5　結束語

葛洲壩電站6臺機組主軸密封改造為浮動式端面密封結構型式后，已經過一個汛期的運行考驗，雖然改造后浮動式端面密封的漏水量較改造前雙層平板密封漏水量明顯增加，但風險是可控的。因機組運行時間較短，浮動式端面密封的運行特性還有待進一步摸索，尤其是密封水運行壓力與密封漏水量和清潔水用水量的關系，需要繼續試驗探索，進一步優化運行。

中圖分類號：TK730.3

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0026-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.007

收稿日期：2014-09-17

作者簡介：蘇華佳（1971-），男，工程師，從事水電廠運行管理工作。